Dokument: Exploring naturalistic stimuli as an alternative to a traditional functional localizer

Titel:	Exploring naturalistic stimuli as an alternative to a traditional functional localizer
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66834
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240930-090641-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Häusler, Christian Olaf [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,92 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.09.2024 / geändert 19.09.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Hanke, Michael [Gutachter] Jocham, Gerhard [Gutachter]
Stichwörter:	fmri, naturalistic stimulation, movie, functional alignment, functional localizer, parahippocampal place area, shared response model, human brain mapping, Forrest Gump,
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Functional localizers sind fMRT-Experimente, die die funktionelle Neuroanatomie von Individuen charakterisieren sollen. Allerdings verwenden diese Paradigmen selektiv ausgewählte, experimentell streng kontrollierte Reize, stützen sich auf die kooperative Mitarbeit des jeweiligen Individuums, und können üblicherweise nur eine Domäne von Gehirnfunktionen abbilden. Im Gegensatz dazu bieten naturalistische Stimuli wie Filme oder auditorische Erzählungen ein fesselndes, aufgabenfreies Paradigma, das der Komplexität und Vielfalt des alltäglichen Erlebens näher kommt, und dadurch eine Vielzahl von Gehirnfunktionen abbilden könnte. Der Schwerpunkt dieser Dissertation richtet sich auf das „Parahippocampal Place Area“ (PPA), ein funktionelles Areal höherer visueller Wahrnehmung, das erhöhte hämodynamische Aktivität aufweist, wenn Studienteilnehmer Bilder von Landschaften oder Orientierungspunkten, im Gegensatz Bildern von Gesichtern oder Werkzeugen, betrachten. Unter Berücksichtigung der Prinzipien offener, transparenter und reproduzierbarer Wissenschaft untersucht die Arbeit mit zwei methodischen Ansätzen, ob ein Film und eine auditorische Erzählung einen visuellen Localizer ersetzen könnten. Als ersten Ansatz führten wir eine modellgetriebene Analyse hämodynamischer Aktivität während des Films „Forrest Gump“ und seiner Audiodeskription durch, die die Hauptstimuli des öffentlich zugänglichen StudyForrest-Datensatzes sind (studyforrest.org). Zunächst wurde eine umfassende Annotation der im Film und in der Audiodeskription vorkommenden gesprochenen Sprache erstellt, um die Grundlage für die Modellierung hämodynamischer Antworten zu schaffen und das StudyForrest-Projekt als öffentlich zugängliche Wissenschaftsressource zu erweitern. Anschließend führten wir eine Analyse mit dem allgemeinen linearen Modell (GLM) durch, um die PPA in Personen zu lokalisieren, die zuvor bereits an einem Localizer-Experiment teilgenommen hatten. Die Ergebnisse legen nahe, dass eine modellgetriebene Analyse auf der Grundlage von Annotationen eines Films oder eines ausschließlich auditorischen naturalistischen Stimulus verwendet werden kann, um ein visuelles Areal in Individuen lokalisieren. Als zweiten Ansatz untersuchte die Arbeit ein neuartiges, datengetriebenes Verfahren für eine funktionelle Lokalisierung, das es ermöglicht die Lage der PPA in einem Individuum zu schätzen, indem es sich mittels functional alignments Daten anderer Individuen zu Nutze macht. Unter Verwendung des shared response models (SRM) erstellten wir einen common functional space (CFS) und individuelle Transformationen, um funktionale Daten von Individuen in einer Referenzgruppe durch den CFS in den Gehirnraum des zu untersuchenden Individuums zu projizieren. Darüber hinaus untersuchten wir die Beziehung zwischen der Menge funktioneller Daten, die für das Alignment eines Individuums mit dem CFS genutzt wurden und der sich anschließenden Schätzleistung. Die Ergebnisse legen nahe, dass eine auditorische Erzählung grundsätzlich dazu verwendet werden kann, um die neuroanatomische Position eines visuelles Areal wie der PPA zu schätzen.Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass Daten eines 15-minütigen Scans, während dem ein Individuum einen Film schaut, hinreichend sind, um Gehirnmuster genauer zu schätzen als ein Verfahren, das auf einem anatomischen Alignment beruht. Die Arbeit zeigt jedoch auch Hindernisse in der Entwicklung eines multifunktionalen naturalistischen Localizers auf. Daten naturalistischer Stimuli stellen eine Herausforderung für modellgetriebene Analysen insofern da, weil sie physiologische und statistische Modellannahmen strapazieren. Außerdem zielen traditionelle Localizer darauf ab, die interindividuelle Variabilität zu minimieren und funktionelle Areale in allen gesunden Personen reliabel zu lokalisieren, wohingegen naturalistische Stimuli höhere interindividuelle Variabilität zulassen. Daher hängt das Potenzial eines naturalistischen Stimulus, einen oder mehrere traditionelle Localizer zu ersetzen, von weiteren Entwicklungen ab, die die statistischen und methodologischen Herausforderungen angehen. Jedoch könnte ein datengetriebener Ansatz, der auf functional alignment beruht, möglicherweise einen naturalistischen Stimulus von ähnlicher Dauer eines traditionellen Localizers verwenden, um die Ergebnisse vieler funktioneller Localizer schätzen. Functional localizers are fMRI experiments that aim to characterize the functional neuroanatomy on the level of individuals. However, these paradigms employ selectively sampled, tightly controlled stimuli, rely on an individual's compliance, and can typically map only one domain of brain functions. In contrast, naturalistic stimuli, such as movies or auditory narratives, provide an engaging, task-free paradigm that more closely resembles the complexity and richness of real-life experiences, and sample a wide range of brain functions. This dissertation focuses on the “parahippocampal place” (PPA), a high-level visual area, that exhibits increased hemodynamic activity when participants view images of landscapes or landmarks, as opposed to other stimuli, such as faces or tools. Following the principles of open, transparent, and reproducible science, the thesis explores whether a movie and an auditory narrative could replace a visual localizer in two methodological ways. As the first approach, we performed a model-driven analysis of hemodynamic activity during the movie “Forrest Gump”' and its audio-description, which are the core stimuli of the publicly accessible studyforrest dataset (studyforrest.org). An exhaustive annotation of speech occurring in the movie and audio-description was created to establish the foundation for modeling hemodynamic responses and to extend the studyforrest project as an open science resource. Subsequently, we performed a general linear model (GLM) analysis to localize the PPA, which had previously been identified in the same group of participants using a visual localizer. Results suggest that a model-driven analysis based on annotations of a movie or an exclusively auditory naturalistic stimulus can be used to localize a visual area on an individual level. As the second approach, we explored a novel functional alignment procedure that allows estimating the location of the PPA in an individual by leveraging data collected from of a reference group. Using a shared response model (SRM), we created a common functional space (CFS) and subject-specific transformations to project functional data from the reference through the CFS into an individual's brain space. Additionally, we investigated the relationship between the quantity of data used for functional alignment and subsequent estimation performance. Results suggest that an auditory narrative can, in principle, be used to estimate a visual area such as the PPA. Moreover, 15 minutes of functional scanning during movie watching can generate a sufficient amount of data to estimate brain patterns more accurately than a procedure based on anatomical alignment. The thesis also highlights obstacles in the pursuit of developing a multi-functional naturalistic localizer. Applying a model-driven analysis to naturalistic stimuli is challenging, as these stimuli stress physiological and statistical assumptions. Moreover, traditional localizers aim to minimize interindividual variability and reliably localize functional areas in all healthy individuals, whereas naturalistic stimuli allow for more variability. Therefore, the potential of a naturalistic stimulus to replace one or multiple traditional localizers relies on further developments that address the statistical and methodological challenges. Nevertheless, a data-driven approach based on functional alignment using a naturalistic stimulus of similar duration to that of one traditional localizer
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	30.09.2024
Dateien geändert am:	30.09.2024
Promotionsantrag am:	03.08.2023
Datum der Promotion:	16.08.2024